基于區塊鏈的去中心化物品共享交易服務系統

范吉立 何蒲 李曉華 聶鐵錚 于戈

摘 要：隨著共享經濟的發展，對于高可信的分布式交易管理具有迫切的需求， 然而，傳統的中心化信息系統難以滿足。區塊鏈技術提供了一種共享賬本機制，為構建可信的分布式交易管理奠定了基礎。以支持智能合約的區塊鏈2.0平臺——以太坊平臺作為基礎框架，深入研究基于區塊鏈技術的去中心化共享物品交易服務系統的運行機制與實現技術。設計了基于以太坊的去中心化物品共享交易服務系統框架，提出了基于智能合約機制的交易管理處理流程，詳細描述了包括用戶接口在內的系統實現技術，并對該系統在交易處理上的性能進行了實驗測試。實驗結果表明，基于以太坊的交易服務系統在保證交易數據可信性的基礎上，平均交易處理速度為每秒21.7條，有索引查詢速度為每秒117.6條，具有較高的運行效率。

關鍵詞：區塊鏈;交易管理;以太坊;智能合約;分布式數據庫

中圖分類號：TP315

文獻標志碼：A

Abstract： With the development of sharing economy， there is an urgent need for highly trusted distributed transaction management; however， traditional centralized information systems are difficult to meet it. Blockchain technology provides a shared ledger mechanism， which laid foundation for building credible distributed transaction management service. As blockchain 2.0 platform supporting smart contract， Ethereum platform was used as the basic framework to deeply study the operation mechanism and implementation technology of the decentralized shared goods transaction service system based on blockchain technology. Decentralized item sharing transaction service system framework based on Ethereum was designed， and a transaction management process based on intelligent contract mechanism was proposed. The system implementation technology including user interface was described in detail， and the performance of the system in transaction processing was tested. The experimental results indicate that the Ethereumbased transaction management system can ensure the creditability of the data and has a high operational efficiency， with average transaction processing speed of 21.7 items/s， and indexed average query speed of 117.6items/s.

With the development of sharing economy， there is an urgent need for highly trusted distributed transaction management. However， the traditional centralized information systems are unable to satisfy the requirement of creditability. The Blockchain technology provides a mechanism of sharing ledger， which laid foundation for building the credible distributed transaction management service. With blockchain 2.0 platformEthereum which supports smart contract， as the basic framework， the operating mechanism and implementation techniques of blockchainbased decentralized item sharing and transaction service system were throughly studied， the architecture of the system was designed， the processing workflow for transaction management was proposed based on smart contract， the implementation techniques of the system including Webbased user interface were detailedly described， and the performance experiments to evaluate the proposed system were conducted. The experimental results indicate that the Ethereumbased transaction management system can ensure the creditability of the data while has high operational efficiency， with average transaction processing speed of 21.7 items/s， and indexed average query speed of 117.6items/s.

英文關鍵詞Key words： blockchain; transaction management; Ethereum; smart contract; distributed database

0 引言

共享經濟模式能夠極大地促進社會的進步與資源的有效利用，因此，基于互聯網+的共享經濟應用迅速發展;然而，支撐共享經濟應用的服務系統往往需要一個由第三方創建的、以信息技術為基礎的系統平臺。傳統的共享平臺都依賴于集中式的數據存儲服務，不僅存在數據整體泄露的風險和信息不對稱的弊端，因安全性等問題導致數據被隨意篡改的情況時有發生，數據管理方的可信性也經常飽受質疑，可見大量應用面臨著嚴峻的安全性和可信性問題。

區塊鏈技術也被稱之為分布式賬本，在過去的數年時間里獲得了巨大的發展和廣泛的關注，當前正迎來高速發展期。這首先要歸功于應用區塊鏈技術的比特幣的成功，正是比特幣系統[1]具有的去中心化、多分布節點、公平等特點使其成為熱門的數字貨幣系統，其底層的區塊鏈技術得到人們的關注。區塊鏈本質上是一種由一群彼此互不信任的節點共同維護的一個公共賬本，并且記錄只能以追加的方式添加到系統之中[2]，記錄一旦被確認就不能刪除、不能篡改。區塊鏈具有分布式、去中心化、開放、匿名、不可篡改、高度冗余等特點，而參與系統的節點可以不必信任彼此。因此，區塊鏈技術不僅實現了數據的分布式可靠共享，更提供了不依賴單一服務方的可信數據管理機制，能夠有效地保障系統信息的不可篡改性和可靠性。

本文主要基于使用區塊鏈和智能合約技術的以太坊平臺，研究去中心化的物品共享交易服務系統的運行機制與實現技術，提供高可靠和高可信的記賬服務。基于區塊鏈技術的以太坊在項目開發上具有特殊的優勢，包括不需要中心化存儲機構，具有圖靈完備語言用以搭建智能合約應用。其中，業務賬本數據都存儲在以太坊網絡上，不存在集中式的服務器，避免了用戶數據被隨意篡改的風險，構建了不可信服務環境下的可信數據存儲。對于物品共享租借服務，物品的所有者可通過智能合約在以太坊網絡上進行共享物品注冊，租借者也通過以太坊網絡進行租借，避開了不可信的第三方服務，所有交易數據均存儲于以太坊網絡上，可通過授權進行有效驗證。

本文的主要貢獻如下：

1）提出了一種基于區塊鏈技術的分布式交易系統的體系結構，通過結合智能合約實現自動的交易生成與處理;

2）設計了基于以太坊的物品共享交易服務系統的業務處理流程，將智能合約技術與實際應用相結合;

3）基于不同數據集的實驗對系統進行測試，結果表明該系統具有較高的執行效率和實用性。

1 相關工作

1.1 共享經濟

共享經濟從狹義上講是指以獲得一定報酬為主要目的，基于陌生人且存在物品使用權暫時轉移的一種商業模式。這里存在三大主體：物品或服務需求方、提供方和共享平臺。

共享經濟已經成為社會服務行業內最重要的一股力量，涉及住宿、交通、教育、生活、旅游等各個方面，尤其Uber和Airbnb作為全球共享經濟產業內的龍頭，有效利用資源的情況下更促進了經濟的發展;但是，它們都有一個不可忽視的安全隱患——集中式共享經濟平臺。所有參與方都需要進行注冊，用戶信息由它們信任的第三方服務機構保存。這種集中式的數據管理模式，需要數據存儲方具有極高的安全性和可信性以保證數據不會被篡改和隨意使用，然而，可以證明即使是最嚴格的管理制度，這種可信性也是不可靠的，用戶數據依然有被篡改的風險。區塊鏈技術的去中心化特性，恰恰能夠消除對第三方機構的依賴，實現對等的直接交易，實現真正的共享經濟[3]。

1.2 區塊鏈技術

區塊鏈技術自2015年以來發展迅猛，雖然還沒有一個統一的定義，但是在行業里卻也基本達成了共識，即區塊鏈技術是一種去中心化、去信任化的分布式數據庫技術方案。該數據庫由參與系統的節點共同維護，并且系統只能查詢和追加，不能修改和刪除，具有去中心化、安全、透明、不可篡改等特性[4]。全球最大的數字貨幣平臺——比特幣就采用了區塊鏈技術構建。

1.3 以太坊技術

以太坊[5-6]——下一代智能合約與分布式應用平臺——是比特幣的一個擴展，在2013 — 2014年，由Vitalik Buterin受比特幣發展的啟發而提出，旨在為去中心化應用實現一個在區塊鏈之上的圖靈完備的計算平臺。作為具有智能合約功能的開源公共區塊鏈平臺，它是一種非常新穎的技術，在區塊鏈技術基礎上引入以太坊虛擬機（Ethereum Virtual Machine，EVM），允許開發人員利用智能合約在其上創建基于任意數量的不受各方信任的網絡節點的分布式應用。

智能合約是一段由事件驅動的、具有狀態的、運行在一個復制的、分享的賬本之上的、且能夠保管賬本上資產的程序[7]，是區塊鏈上去中心化、可信共享的程序代碼[8]，也是以太坊中的法律。在以太坊中，所有的交易都按照合約定義的操作有條不紊地執行，改變著區塊鏈的狀態。一旦部署在區塊鏈上，就不能再進行修改，也實現了可再現性，多次執行能得到相同的結果。區塊鏈上的智能合約具有原子性，即要么成功執行，要么所有狀態變化都撤銷，這避免了合約被部分執行的情況。

1.4 以太坊應用

近年來，學者和研究人員對區塊鏈技術進行了大量的研究、探討，特別是自以太坊誕生以來，各種基于區塊鏈技術的應用程序如雨后春筍般涌現： DIGIX與COINIFY合作創建的基于以太坊平臺的加密資產交易平臺，將比特幣的功能與實物資產如黃金結合在一起，在以太坊網絡上以代幣的形式購買黃金[9];Dodson等設計的去中心化眾籌平臺WeiFund[10]，提供了多個基于以太坊平臺的眾籌智能合約模板，用戶可以利用這些模板實現自己的眾籌項目;Vogelsteller[11]提出的Whisper，是去中心化應用（Decentralized Application，DApp）之間相互通信的一種通信協議，實現了分布式通信;Davis等設計的MetaMask[12]，以瀏覽器（目前支持Chrome）擴展的形式，讓用戶可以通過瀏覽器與以太坊進行交互，在瀏覽器中運行以太坊應用，而不必運行完整的以太坊節點;Nagy等提出的Swarm[13]，是以太坊的一個功能擴展，使得以太坊支持分布式文件存儲，其主要目標是提供一個分散的、冗余的以太坊公共記錄存儲。目前已經有1300多個基于以太坊智能合約開發的DApp發布在Ethercasts[14]上，然而這些DApp主要圍繞虛擬貨幣兌換、代幣眾籌、虛擬游戲等應用場景，比如最受歡迎的火熱游戲項目CryptoKitties，缺少與線下實體相結合的應用場景。

2 基于區塊鏈的交易系統結構設計

本文主要研究基于以太坊技術的共享交易系統的業務處理機制和實現技術。為此，本文首先設計了物品共享交易系統ShareApp的體系結構，如圖1所示。ShareApp系統的體系結構主要由三個部分組成：基于以太坊網絡的數據層、基于智能合約和Web3[15]的中間件層和提供用戶操作接口的應用層。

2.1 數據層

共享交易系統的數據層采用由區塊鏈系統構建的分布式P2P數據存儲環境。本系統基于開源區塊鏈系統以太坊進行搭建，使用以太坊客戶端構建一個去中心化的網絡，用以支持智能合約交互操作和信息的存儲。以太坊網絡是一個公共的區塊鏈平臺，并通過專用加密貨幣以太幣來提供去中心化的記賬機制并執行點對點合約。基于以太坊系統具有很高的可擴展性，很容易就能夠擴展到大規模節點運行。在系統使用中，由應用層產生的交易將被廣播到以太坊網絡中，并由以太坊節點負責挖礦和記錄交易信息。以太坊中的節點基于工作量證明（Proof of Work， PoW）的共識過程，競爭解決一個難度可動態調整的數學問題以獲得記賬權，將自上一個區塊之后的交易打包記入新區塊，其他節點對其驗證，共同維護交易數據的真實性，保障數據不可被篡改。

2.2 中間件層

系統的中間件層主要由智能合約和Web3組成。與傳統的基于Web服務的HTTP API中間件不同，智能合約是一個部署在以太坊網絡上的協議，規定了用戶能夠執行的操作以及操作規范，用戶的操作全都按照合約內容進行，合約一旦部署就不可修改。本文選擇使用Solidity[16]編寫的智能合約，從而實現物品租借業務的處理流程定義。本系統采用Web3實現上層應用與以太坊區塊鏈和智能合約間的溝通與連接。

2.3 應用層

在應用層，系統將通過Web界面為用戶提供可視化操作接口，使用戶能夠與智能合約進行交互。系統的應用層可以看作是一個分布式應用，可以部署在分布式的內容分發網絡（Content Delivery Network，CDN）上，來提供用戶訪問。本系統的功能在應用層上的開發將主要基于JavaScript進行實現。

3 物品共享交易系統的業務功能與算法設計

基于所提出的基于區塊鏈的交易系統體系結構，本文進一步設計了物品共享交易服務應用系統，其目的在于使用智能合約技術實現物品租借交易的可信記賬平臺。

3.1 系統需求分析

物品共享交易服務系統為用戶創建了兩種身份：物品所有者和租借者。

作為物品所有者時，用戶可以在基于Web的用戶接口上填寫物品相關信息，然后把信息發送到以太坊網絡，形成智能合約交易。一旦以太坊的挖礦節點將交易寫入區塊，則表明合約交易創建成功。作為租借者身份時，用戶可以搜索要租借的共享物品，并在對象顯示列表上找到想租借的物品，利用Web提供的接口直接提交租借交易。

本系統的應用層將基于Truffle[17]進行開發，Truffle是以太坊中最受歡迎的框架，可以實現從智能合約編譯、部署到發布的整個流程。同時為了提高用戶體驗，采用的是Bootstrap前端框架開發用戶頁面。

基于區塊鏈的物品共享交易服務支持的主要用戶操作如下。

1）共享物品創建：共享物品創建功能就是向系統注冊新的提供共享的物品。共享物品的相關信息結構如表1所示。

2）共享物品查詢：提供按物品ID號或物品名稱查詢物品功能，并在查詢后顯示物品的相關信息。

3）物品租借：物品租借是系統實現共享物品租借交易的主要手段，也是智能合約程序處理的主體業務。用戶需要提供租借者地址，發起物品租借請求后需要對物品狀態和租借人資金情況進行驗證，以保證租借流程的安全性，并確定租借結果。其中租借者的信息結構如表2所示。

4）物品歸還：用戶通過調用物品歸還接口實現交易中的物品歸還功能。

3.3.3 智能合約安全性分析

1）業務流程安全性。

業務流程設計中，充分考慮到物品共享系統各個流程環節的邏輯安全性，針對重要操作作了條件判斷和權限限制。例如，上一節所述物品租借流程發起時，需同時滿足物品未被租借、押金大于租金、發起者不為創建者三個條件。同樣，歸還物品過程設計中，物品租借狀態必須正確，歸還流程發起者必須為租借者才能啟動流程。以上嚴格的檢驗條件保證了租借流程的邏輯正確性和執行的安全性。

2）編程語言安全性。

本文所使用的以太坊平臺開發語言Solidity，對變量和操作符越界缺乏相應的安全限制，容易導致合約產生一些安全漏洞[18]。本文后續的代碼版本更新中，引入SafeMath[19]庫，做到對數學運算進行安全檢查，防止因uint256數值類型變量溢出導致的漏洞攻擊。

3）平臺安全性。

以太坊系統是應用最廣泛的智能合約平臺，得到社區大量開發者的支持，因此具備快速問題反饋和版本更新迭代的基礎，能夠保障平臺層面的安全問題得到及時解決。智能合約方面，一旦部署便不可修改的特性，使得智能合約一旦實現了預期的功能，便能得到預期的運行結果，具有可再現性，因為這是以共識協議為基礎的。但如果智能合約包含錯誤，則沒有直接的修補方法，程序員必須在實現智能合約時設計終止合約的方法[20]，或者事件發生后采用硬分叉的對策，但這與以太坊“代碼即是法律”的原則相悖。同時，這種解決方案也不會得到整個以太坊社區的同意，部分礦工會拒絕分叉，形成另一條區塊鏈。智能合約的安全性需要以太坊在后續的版本中提出合理的解決方案。

3.4 智能合約功能模塊設計

3.4.1 物品創建

物品的創建操作指用戶向以太坊系統提交一個記賬交易，其交易的信息為共享物品的相關信息。為此，智能合約將按照記賬的處理邏輯處理物品創建交易。以太坊中，為了防止代碼的指數型爆炸和無限循環，每筆交易需要對執行代碼所引發的計算步驟作出限制，引入交易費用Gas[4]，并通過GasPrice與以太幣兌換。因此創建新的共享物品時，創建者賬戶里面要有一定的以太幣余額，否則將會創建失敗。

3.4.2 物品查詢

本系統提供了按物品編號和物品名字兩種查詢功能。為了提高對于物品的查詢效率，我們將物品的信息使用外部數據庫進行存儲，并使用倒排索引對用戶創建的物品進行索引。

倒排索引將物品名稱與物品編號集合進行映射，通過名稱能夠快速定位到物品編號，從而進一步查詢物品的詳細信息。索引結構如圖5所示。

4 實驗結果

4.1 實驗設置

本系統基于以太坊網絡進行搭建，實驗測試中操作系統采用Ubuntu14.04，智能合約基于Solidity編寫。測試的硬件環境為16臺以太坊go語言客戶端（Goethereum，Geth）節點，每臺主機為8核3.0GHz CPU，8GB內存。Geth節點之間相互同步和驗證區塊信息，組成一個以太坊私有鏈網絡。

實驗測試中數據采用人工生成數據，編寫腳本語言通過系統用戶接口提交到系統中。

實驗針對上述物品交易共享服務系統，對物品登記創建、物品租借、物品查詢三個功能的實際效率進行測試。其中，物品創建、物品租借的過程對區塊鏈上數據有更改，均產生交易，需要以太坊節點挖礦來對交易進行打包，從而將數據變化寫入區塊，而物品查詢無需修改數據，只產生調用消息，無交易，因而無需挖礦。同時，實驗也對比了有索引查詢和無索引查詢的效率，效果明顯。

4.2 實驗結果

實驗一 不同節點數量下創建物品交易處理效率。

本實驗主要測試物品共享交易系統在不同以太坊節點數量下，對于智能合約創建物品信息交易的打包處理效率。測試中以100條交易為基準，測試節點數量從2～16臺的情況下處理交易所花費的時間，每個測試點取三次結果得到平均值，結果如圖7所示。從圖中可以看出，交易處理效率與以太坊網絡中節點數量有一定關系。當節點從2臺增加到4臺時，處理效率有明顯提升。隨著節點數量增加，處理時間隨之縮短，但效率提升速度減緩，可見節點間網絡通信對交易處理效率也有一定影響。

5 結語

本文所開發的ShareApp是基于以太坊設計的一個去中心化共享交易服務系統，利用區塊鏈技術的特性，實現了用戶信息隱藏、無中心節點、抗攻擊、零宕機、交易無法修改等特性，解決了物品租借環節中的低信任關系，保證了系統可靠性。該系統實現了基于區塊鏈的可信分布式交易管理，具有重要的實際應用價值。目前，本平臺還處于開發與完善階段，接下來的工作還將繼續完善智能合約功能，并進一步探索如何實現區塊鏈與數據庫管理系統結合方式，實現大規模交易數據的區塊鏈存儲管理。

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